-
Stand der Technik
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die
Erfindung geht aus von von einem Verfahren zur Diagnose eines in
einem Abgasstrom angeordneten Katalysators und von einer Vorrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
-
Aus
der
DE 44 26 020 A1 ist
ein Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasstrom angeordneten
Katalysators bekannt geworden, welches auf der Bewertung wenigstens
einer Temperatur beruht, die von einer im Katalysator gegebenenfalls
stattfindenden exothermen Reaktion beeinflusst wird. Die vorbekannte
Katalysator-Diagnose wird auf der Grundlage von zwei Temperatursignalen
durchgeführt.
Das erste Temperatursignal stellt ein Temperatursensor bereit, der
stromabwärts
nach dem Katalysator angeordnet ist. Das zweite Temperatursignal
wird mit einem Temperaturmodell des Katalysators gewonnen. Die beiden
Temperatursignale werden in einem vorgegebenen Betriebszustand einer
Brennkraftmaschine, in deren Abgasbereich der Katalysator angeordnet
ist, miteinander abgeglichen. Die anhand des Temperaturmodells gewonnene
Temperatur kann entweder auf der Basis eines vollständig funktionsunfähigen Katalysators,
eines vollständig
funktionsfähigen
Katalysators oder eines so genannten Grenzkatalysators gebildet
werden, wobei der Grenzkatalysator eine zwischen diesen extremen
liegende Konvertierungsfähigkeit
aufweist, bei welcher die gesetzlichen Anforderungen an die Konvertierungsfähigkeit gerade
noch erfüllt
werden.
-
Aus
der
DE 197 51 58 A1 ist
ein Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasstrom angeordneten
Katalysators bekannt geworden, welches auf der Bewertung von wenigstens
einem Maß für die Sauerstoff-Konzentration
im Abgas beruht. Ein erstes Maß für die Sauerstoff-Konzentration stellt
ein Lambdasensor bereit, der stromabwärts nach dem Katalysator angeordnet
ist. Ein zweites Maß für die Sauerstoff-Konzentration
stromabwärts
nach dem Katalysator wird mit einem Katalysator-Modell gewonnen. Bewertet
wird ein Maß für die Differenz
zwischen dem gemessenen und dem berechneten Maß. Die Katalysator-Diagnose
beruht auf einer Bewertung der Sauerstoff-Speicherfähigkeit
eines Katalysators, wobei davon ausgegangen wird, dass ein neuer
Katalysator eine höhere
Speicherfähigkeit
als ein alter Katalysator aufweist. Mit dem vorbekannten Verfahren
wird insbesondere die Amplitude des gemessenen Lambdasignals bewertet,
die aufgrund von stromaufwärts
vor dem Katalysator gezielt vorgegebenen Lambdaänderungen stromabwärts nach
dem Katalysator auftritt.
-
Aus
der
DE 41 28 823 A1 ist
ein weiteres Verfahren zur Diagnose eines in einem Abgasstrom angeordneten
Katalysators bekannt geworden, welches auf der Bewertung von wenigstens
einem Maß für die Sauerstoff-Konzentration
im Abgas beruht. Die Katalysator-Diagnose beruht auf der Ermittlung
des Sauerstoff-Speichervermögens
des Katalysators. Die Sauerstoff-Speicherfähigkeit
wird mit einem Integral ermittelt, welches einen von einer Brennkraftmaschine,
in deren Abgasbereich der Katalysator angeordnet ist, angesaugten
Luftstrom sowie das Abgaslambda stromaufwärts vor dem Katalysator berücksichtigt.
Die Integration wird gestartet, wenn stromaufwärts vor dem Katalysator eine
Lambdaänderungen
auftritt, die beispielsweise gezielt vorgegeben werden kann. Die
Integration wird beendet, wenn ein stromabwärts nach dem Katalysator angeordneter Lambdasensor
die infolge der Lambdaänderung stromaufwärts vor
dem Katalysator auftretende Änderung
des Abgas-Lambdas detektiert.
-
Eine
weitere Möglichkeit
zur Diagnose eines in einem Abgasstrom angeordneten Katalysators sieht
die Erfassung und Bewertung wenigstens einer zu beseitigenden Abgaskomponente
unmittelbar vor. Ein entsprechendes Verfahren ist in der
DE 199 63 901 A1 beschrieben.
Ein stromabwärts
nach einem NOx-Speicherkatalysator angeordneter NOx-empfindlicher
Sensor stellt ein Maß für die NOx-Konzentration
stromabwärts
nach dem NOx-Speicherkatalysator bereit, das unmittelbar zur Diagnose
des NOx-Speicherkatalysators herangezogen wird.
-
Aus
der
DE 43 38 342 A1 ist
ein Verfahren zur Simulation eines Maßes für eine Abgastemperatur und/oder
einer Abgassensor-Temperatur und/oder einer Katalysatortemperatur
bekannt ge worden, bei welchem neben Betriebskenngrößen einer
Brennkraftmaschine wenigstens ein Flüssigkeitssignal berücksichtigt
wird, das angibt, dass mit dem Auftreten von Flüssigkeit im Abgasbereich der Brennkraftmaschine
und/oder im Katalysator zu rechnen ist. Bei der Simulation eines
Maßes
für die Temperatur
wird die Verdampfung der Flüssigkeit
berücksichtigt.
Das vorbekannte Verfahren kann beispielsweise zur Steuerung einer
elektrischen Heizung eines im Abgasbereich angeordneten Sensors herangezogen
werden, bei welchem die Gefahr einer Zerstörung besteht, wenn eine Beheizung
bei gleichzeitig vorliegendem Flüssigkeits-Niederschlag
auf der Sensoroberfläche
vorgesehen wird.
-
Bei
der Flüssigkeit
handelt es sich im Allgemeinen um Wasser, welches bei Unterschreiten
der Taupunkt-Temperatur auf Oberflächen kondensiert. Aufgrund
der im Abgasbereich einer Brennkraftmaschine herrschenden Bedingungen
liegt die Taupunkt-Temperatur für
Wasser niedriger als an der Umgebungsluft. Die Abweichungen beruhen
zum einen darauf, dass die Wasserdampf-Konzentration im Abgas geringer
ist als in der Umgebungsluft und zum anderen darauf, dass der Abgasdruck
im Abgasbereich einer Brennkraftmaschine im Allgemeinen höher als
der Umgebungs-Luftdruck ist.
-
Aus
der
DE 100 65 125
A1 ist Weiterbildung der in der bereits genannten
DE 43 38 342 A1 beschriebenen
Vorgehensweise bekannt geworden, bei welcher neben dem Einfluss
der Flüssigkeits-Verdampfung
zusätzlich
der Abtransport von kondensierter Flüssigkeit durch die Abgasströmung berücksichtigt
wird.
-
In
der
DE 10 2005 041 661 (nicht
vorveröffentlicht)
schließlich
ist ein Verfahren zum Betreiben eines Heizelements eines in einem
Abgasbereich einer Brennkraftmaschine angeordneten keramischen Sensors
beschrieben, wobei das Heizelement nur dann in Betrieb genommen
wird, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand
befindet, in welchem nicht damit zu rechnen ist, dass im Abgasbereich
Flüssigkeit
vorhanden ist. Auf das Vorhandensein dieses bestimmten Betriebszustands wird
dann geschlossen, wenn der über
eine Zeit summierte, vom Abgasmassenstrom getragene Wärmestrom
eine vorgebbaren Schwellenwert überschreitet.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Diagnose eines in einem Abgasstrom angeordneten Katalysators anzugeben,
die einfach zu realisieren sind und eine zuverlässige Diagnose ermöglichen.
-
Die
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale gelöst.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Diagnose eines in einem Abgasstrom angeordneten Katalysators
beruht auf einer Bewertung der hygroskopischen Eigenschaften des
Katalysators.
-
Während bei
freien Wasser-Oberflächen
lediglich Kräfte
zwischen den Wassermolekülen
auftreten, die beim Verdampfung des Wassers überwunden werden müssen, spielen
in Katalysatoren offensichtlich auch Wechselwirkungen zwischen der
inneren Oberfläche
des Katalysators und den Wassermolekülen eines auf der Öberfläche kondensierten
Wasserfilms eine Rolle, die entweder zusätzlich auftreten oder stärker sein
können
als die Kräfte
zwischen den Wassermolekülen.
Unter den hygroskopischen Eigenschaften wird daher jede Art von
Wechselwirkung zwischen der inneren Oberfläche eines Katalysators und
eines darauf befindlichen Wassers verstanden. Das Wasser wird im
Folgenden als Wasserfilm bezeichnet.
-
Die
hygroskopischen Eigenschaften des Katalysators hängen mit der verfügbaren Katalysator-Oberfläche zusammen,
welche proportional zur Aktivität
des Katalysators ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Diagnose des
im Abgasstrom angeordneten Katalysators beruht daher indirekt auf
der Ermittlung bzw. Bewertung eines Maßes für die wirksame Katalysator-Oberfläche, die
als ein Maß für die Qualität des Katalysators
herangezogen werden kann.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ergeben sich aus abhängigen
Ansprüchen.
-
Ein
Ausführungsbeispiel
zur Bewertung der hygroskopischen Eigenschaften des Katalysators sieht
zunächst
eine Messung eines Maßes
für die
Katalysator-Temperatur vor. Weiterhin wird die Bewertung einer Kenngröße eines
gemessenen Temperatur-Plateaus vorgesehen, welches während der
Verdampfung des gegebenenfalls im Katalysator vorhandenen Wasserfilms
auftritt.
-
Der
Wasserfilm-Verdampfungsprozess benötigt Energie, die von einer
durch das Abgas eingetragenen Energie bereitzustellen ist. Daher
bildet sich das Temperatur-Plateau so lange aus, bis der Wasserfilm
verdampft ist.
-
Als
Kenngröße des Temperatur-Plateaus wird
vorzugsweise die Plateau-Temperatur selbst herangezogen. Anhand
von Experimenten konnte gezeigt werden, dass bei einem guten Katalysator
tendenziell eine höhere
Plateau-Temperatur auftritt als bei einem schlechten Katalysator.
Alternativ oder zusätzlich
kann die Dauer des Temperatur-Plateaus berücksichtigt werden. Insbesondere,
wenn die Abgastemperatur stromaufwärts vor dem Katalysator und/oder
der durch den Katalysator strömende
Abgasstrom während
des Temperatur-Plateaus in einem Toleranzbereich liegen, kann die
Dauer des Temperatur-Plateaus ebenfalls zur Diagnose des Katalysators
herangezogen werden, wobei eine längere Dauer einem besseren
Katalysator als eine kürzere Dauer
entspricht.
-
Vorzugsweise
wird der Toleranzbereich in Abhängigkeit
vom Abgasstrom und/oder von der Abgastemperatur und/oder von der
Temperatur einer Brennkraftmaschine, in deren Abgasbereich der Katalysator
angeordnet ist, festgelegt, die bei Beginn der Erfassung des Temperatur-Plateaus vorliegen.
-
Der
Katalysator ist beispielsweise – wie
bereits erwähnt – im Abgasstrom
einer Brennkraftmaschine angeordnet. Ausgestaltungen können vorsehen,
dass die Katalysator-Diagnose nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine
und/oder nach einer Schubabschaltung der Brennkraftmaschine und/oder nach
dem Abschalten und der Wieder-Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine
vorgesehen wird. In diesen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine
kann davon ausgegangen werden, dass das Temperatur-Plateau auftritt,
da zuvor eine Taupunktunterschreitung des im Abgasbereich vorhandenen
Wasserdampfes voraussichtlich vorgelegen hat, die zum Auftreten
eines kondensierten Wasserfilms führt.
-
Mit
dem Auftreten des Temperatur-Plateaus kann in jedem Fall gerechnet
werden, wenn eine Erfassung des Temperatur-Plateaus vorgesehen wird, nachdem
die Katalysator-Temperatur unter eine Erwartungstemperatur für die Plateau-Temperatur
gesunken ist. Sofern die Brennkraftmaschine weiterhin betrieben
wird, kann davon ausgegangen werden, dass das Temperatur-Plateau wieder auftritt.
Gemäß einer
Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Erwartungstemperatur
in Abhängigkeit
vom Diagnoseergebnis adaptiert wird. Bei einem zuvor als gut beurteilten
Katalysator kann eine höhere
Erwartungstemperatur für
die Plateau-Temperatur vorgegeben
werden als bei einem als schlechter beurteilten Katalysator.
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Diagnose eines in einem Abgasstrom angeordneten Katalysators
betrifft zunächst
ein Steuergerät,
das speziell zur Durchführung
des Verfahrens hergerichtet ist. Das Steuergerät enthält vorzugsweise wenigstens
einen elektrischen Speicher, in welchem die Verfahrensschritte als
Computerprogramm abgelegt sind.
-
Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorgehensweise
ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und
aus der folgenden Beschreibung
-
Zeichnung
-
1 zeigt
ein technisches Umfeld, in welchem ein erfindungsgemäße Verfahren
zur Diagnose eines in einem Abgasstrom angeordneten Katalysators
stattfindet, und die 2a, 2b zeigen
Katalysatortemperaturen in Abhängigkeit
von der Zeit.
-
1 zeigt
eine Brennkraftmaschine 10, in deren Ansaugbereich 11 eine
Lufterfassung 12 und in deren Abgasbereich 13 ein
Abgas-Temperatursensor 14 sowie ein Katalysator 15 angeordnet
sind. Der Katalysator 15 ist in einen ersten Katalysator-Teilbereich 16 und
einen zweiten Katalysator-Teilbereich 17 aufgeteilt. Die
Brennkraftmaschine 10 weist eine Motortemperatur te_mot
auf.
-
Der
Katalysator 15 weist eine Katalysatortemperatur te_Kat
auf. Die Temperatur des ersten Katalysator-Teilbereichs 16 erfasst
ein erster Katalysator-Temperatursensor 18 und die Temperatur
des zweiten Katalysator-Teilbereichs 17 erfasst ein zweiter
Katalysator-Temperatursensor 19.
-
Im
Abgasbereich 13 tritt ein Abgasstrom ms_abg sowie stromaufwärts vor
dem Katalysator 15 eine Abgastemperatur te_abg auf.
-
Der
Brennkraftmaschine 10 ist ein Motor-Temperatursensor 20 sowie
eine Kraftstoff-Zumessung 21 zugeordnet.
-
Die
Lufterfassung 12 stellt einem Steuergerät 30 ein Luftsignal
ms_L, die Brennkraftmaschine 10 eine Drehzahl n, der Motor-Temperatursensor 20 ein
Motortemperatur-Messsignal
te_mot_mess, der Abgas-Temperatursensor 14 ein Abgastemperatur- Messsignal te_abg_mess,
der erste Katalysator-Temperatursensor 18 ein erstes Katalysatortemperatur-Messsignal
te_Kat1_mess und der zweite Katalysator-Temperatursensor 19 ein
zweites Katalysatortemperatur-Messsignal te_Kat2_mess zur Verfügung. Das
Steuergerät 30 stellt
der Kraftstoff-Zumessung 21 ein Kraftstoffsignal m_K zur
Verfügung.
-
Das
Steuergerät 30 enthält eine
Kraftstoffsignal-Festlegung 31, welcher das Luftsignal
ms_L, die Drehzahl n sowie ein Drehmoment-Sollwert Md_Soll zur Verfügung gestellt
werden und welche das Kraftstoffsignal m_K, ein berechnetes Maß ms_abg_mod für den Abgasstrom
ms_abg sowie ein berechnetes Maß te_abg_mod
für die
Abgastemperatur te_abg zur Verfügung
stellt.
-
Das
Steuergerät 30 enthält weiterhin
eine Diagnose-Freigabe 32, der ein Brennkraftmaschinen-Startsignal
St, ein Schubabschaltungssignal S_A sowie ein erstes bis viertes
Freigabesignal F1–F4
zur Verfügung
gestellt werden und die ein Diagnose-Freigabesignal D_F ermittelt,
welches einer Temperatur-Plateau-Erfassung 33 zur Verfügung gestellt
wird.
-
Das
erste Freigabesignal F1 stellt ein erster Vergleicher 34 bereit,
dem die Motortemperatur te_mot sowie ein Motortemperatur-Vergleichssignal S1
zur Verfügung
gestellt werden. Das zweite Freigabesignal F2 stellt ein zweiter
Vergleicher 35 bereit, dem der Abgasstrom ms_abg sowie
ein Abgasstrom-Vergleichssignal S2 zur Verfügung gestellt werden. Das dritte
Freigabesignal F3 stellt ein dritter Vergleicher 36 bereit,
dem die Abgastemperatur te_abg sowie ein Abgastemperatur-Vergleichssignal S3
zur Verfügung
gestellt werden. Das vierte Freigabesignal F4 stellt ein vierter
Vergleicher 37 bereit, dem die Katalysatortemperatur te_Kat
und ein Plateau-Temperatur-Erwartungswert te_P_E zur Verfügung gestellt
werden. Das erste bis dritte Vergleichssignal S1–S3 wird von der Diagnose-Freigabe 32 bereitgestellt.
-
Der
Temperatur-Plateau-Erfassung 33 werden neben dem Diagnose-Freigabesignal
D_F das erste Katalysatortemperatur-Messsignal te_Kat1_mess und
das zweite Katalysatortemperatur-Messsignal te_Kat2_mess zur Verfügung gestellt. Die
Temperatur-Plateau-Erfassung 33 gibt
an die Diagnose-Freigabe 32 ein Plateau-Signal P ab.
-
Die
Temperatur-Plateau-Erfassung 33 stellt einem Plateau-Temperatur-Vergleicher 38 eine
Plateau-Temperatur te_P und einem Plateau-Dauer-Vergleicher 39 eine
Plateau-Dauer ti_P
zur Verfügung.
-
Dem
Plateau-Temperatur-Vergleicher 38 wird weiterhin ein von
einer Plateau-Temperatur-Referenzvorgabe 40 bereitgestellter
Plateau-Temperatur-Referenzwert te_P_Ref zur Verfügung gestellt. Der
Plateau-Temperatur-Vergleicher 38 stellt ein Plateau-Temperatur-Diagnosesignal
te_P_D sowohl einer Plateau-Erwartungswert-Festlegung 41 als auch einer
Diagnose-Ermittlung 42 zur Verfügung.
-
Dem
Plateau-Dauer-Vergleicher 39 wird weiterhin ein von einer
Plateau-Dauer-Referenzvorgabe 43 bereitgestellter
Plateau-Dauer-Referenzwert ti_P_Ref zur Verfügung gestellt. Der Plateau-Dauer-Vergleicher 39 stellt
ein Plateau-Dauer-Diagnosesignal ti_P_D der Diagnose-Ermittlung 42 zur
Verfügung.
-
Die
Diagnose-Ermittlung 42 gibt ein Diagnose-Ergebnis D_E aus.
-
Die
Plateau-Erwartungswert-Festlegung 41 ermittelt den Plateau-Temperatur-Erwartungswert te_P_E.
-
2a zeigt
die Katalysatortemperatur te_Kat in Abhängigkeit von der Zeit t. Gezeigt
sind das erste und zweite Katalysatortemperatur-Messsignal te_Kat1_mess,
te_Kat2_mess, die beide zu einem ersten Zeitpunkt ti1 mit einem
Temperatur-Startwert te_S beginnen.
-
Beide
Katalysatortemperatur-Messsignale te_Kat1_mess, te_Kat2_mess weisen
Temperatur-Plateaus P1, P2 auf, bei welchem eine Plateau-Temperatur
te_P auftritt, die beispielsweise bei 55 °C liegt. Die Temperatur-Plateaus
P1, P2 weisen jeweils eine Plateau-Dauer ti_P auf.
-
Das
erste Temperatur-Plateau P1 des ersten Katalysatortemperatur-Messsignals
te_Kat1_mess weist eine erste Plateau-Dauer ti_P1 auf, die zu einem
zweiten Zeitpunkt ti2 beginnt und die zu einem vierten Zeitpunkt
ti4 endet. Das zweite Temperatur-Plateau P2 des zweiten Katalysatortemperatur-Messsignals
te_Kat2_mess weist eine zweite Pla teau-Dauer ti_P2 auf, die zu einem
dritten Zeitpunkt ti3 beginnt und die zu einem fünften Zeitpunkt ti5 endet.
-
2b zeigt
ebenfalls die Katalysatortemperatur te_Kat in Abhängigkeit
von der Zeit t. Die beiden Katalysatortemperatur-Messsignale te_Kat1_mess, te_Kat2_mess
weisen wieder jeweils ein Temperatur-Plateau P1, P2 auf, wobei die
Plateau-Temperatur te_P bei beispielsweise 90 °C liegt.
-
Erfindungsgemäß wird folgendermaßen vorgegangen:
Die
Kraftstoffsignal-Festlegung 31 legt das Kraftstoffsignal
m_K beispielsweise in Abhängigkeit
vom Luftsignal ms_L und/oder von der Drehzahl n und/oder dem Drehmoment-Sollwert
Md_Soll fest. Der Drehmoment-Sollwert Md_Soll wird beispielsweise
von einem nicht näher
gezeigten Fahrpedal eines ebenfalls nicht näher gezeigten Kraftfahrzeugs
bereitgestellt, in welchem die Brennkraftmaschine 10 als
Antriebsmotor eingesetzt wird. Das Kraftstoffsignal m_K legt beispielsweise
eine in die einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine 10 einzuspritzenden
Kraftstoffmengen und die Einspritzzeitpunkte fest.
-
Die
Kraftstoffsignal-Ermittlung 31 kann aufgrund der zur Verfügung stehenden
Signale weiterhin das berechnete Maß ms_abg_mod für den Abgasstrom
ms_abg sowie das berechnete Maß te_abg_mod
für die
Abgastemperatur te_abg stromaufwärts
vor dem Katalysator 15 ermitteln. Alternativ oder zusätzlich kann
die Abgastemperatur te_abg mit dem Abgas-Temperatursensor 14 gemessen
werden, der das Abgastemperatur-Messsignal te_abg_mess bereitstellt.
-
Erfindungsgemäß ist eine
Diagnose des Katalysators 15 vorgesehen, der im gezeigten
Ausführungsbeispiel
in die wenigstens zwei Katalysator-Teilbereiche 16, 17 aufgeteilt
ist. Zur Durchführung
der Diagnose ist eine Messung der Katalysatortemperatur te_Kat erforderlich.
Aufgrund der Aufteilung in die wenigstens zwei Katalysator-Teilbereiche 16, 17 sind entsprechend
die wenigstens zwei Katalysator-Temperatursensoren 18, 19 vorgesehen,
welche das erste Katalysatortemperatur-Messsignal te_Kat1_mess bzw.
das zweite Katalysator-Katalysatortemperatur-Messsignal te_Kat2_mess
bereitstellen. Die Aufteilung in Teilbereiche 16, 17 ist
nicht erforderlich. Prinzipiell reicht der Einsatz eines einzigen
Katalysator-Temperatursensors, der beispielsweise im hinteren Teil
des Katalysa tors 15 oder vorzugsweise stromabwärts nach
dem Katalysator 15 angeordnet ist. Wesentlich ist die Bereitstellung
eines gemessenen Signals, das zumindest ein Maß für die Katalysatortemperatur
te_Kat des zu diagnostizierenden Katalysators 15 ist.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Katalysator-Diagnose auf einer Bewertung der hygroskopischen
Eigenschaften des Katalysators 15 beruht. Unter den hygroskopischen
Eigenschaften wird jede Wechselwirkung zwischen einem auf einer inneren
Oberfläche
des Katalysators 15 auftretendem Wasserfilm mit der Oberfläche verstanden,
unabhängig
vom physikalischen Effekt.
-
Während des
Betriebs der Brennkraftmaschine 10 ist im Abgasbereich 13 stets
mit dem Auftreten von Wasserdampf zu rechnen. Der Wasserdampf entsteht
bei der Verbrennung des Luft-Kraftstoff-Gemischs in der Brennkraftmaschine 10.
Weiterhin erfolgt ein Eintrag von Wasserdampf durch die Feuchtigkeit
der von der Brennkraftmaschine 10 angesaugten Umgebungsluft.
Die Wasserdampf-Konzentration im Abgasbereich 13 der Brennkraftmaschine 10 liegt
bei etwa 12,5 %, wenn von einer geringen relativen Feuchtigkeit
der von der Brennkraftmaschine 10 angesaugten Luft ausgegangen
wird. Der im Abgas enthaltene Wasserdampf weist einen Abgas-Wasserdampfdruck
auf, der von der Abgas-Wasserdampf-Konzentration und dem Abgasdruck
abhängt.
-
Bei
einer Taupunkt-Unterschreitung kann sich der im Abgas enthaltenen
Wasserdampf auf kühlen
Oberflächen
im Abgasbereich 13 einschließlich des Katalysators 15 als
Wasserfilm niederschlagen.
-
Wenn
auf der inneren Oberfläche
des Katalysators 15 ein Wasserfilm aufgrund einer Taupunkt-Unterschreitung
vorliegt, treten im Übergangsbereich
zwischen dem Wasserfilm und der Katalysator-Oberfläche Effekte
auf, die nicht in allen Einzelheiten geklärt sind. Die Effekte beruhen
auf einer Wechselwirkung zwischen den Molekülen des Wasserfilms untereinander
und insbesondere mit der Katalysator-Oberfläche. Diese Effekte werden im
Sinne der vorliegenden Anmeldung als hygroskopische Eigenschaften
des Katalysators 15 bezeichnet. Die hygroskopischen Eigenschaften
werden unter anderem durch Adsorption- und/oder Absorptionsvorgänge bestimmt.
Denkbar ist auch, dass Kappilareffekte vorliegen. Möglicherweise
spielen Oberflächenspannungen
und/oder Anziehungskräfte
zwischen dem Wasserfilm und der inneren Oberfläche des Katalysators 15 eine
Rolle.
-
Ein
Wasserfilm auf der inneren Oberfläche des Katalysators 15 weist
einen Wasserfilm-Dampfdruck
auf, der von der Wasserfilm-Temperatur abhängt. Im Folgenden wird davon
ausgegangen, dass die Katalysatortemperatur te_Kat der Temperatur
des Wasserfilms entspricht. Der Wasserfilm-Dampfdruck führt zu einem
Verdampfen des Wassefilms, während der
Abgas-Wasserdampfdruck diesem Vorgang entgegenwirkt. Ein thermodynamisches
Gleichgewicht existiert, wenn der Wasserfilm-Dampfdruck und der Abgas-Wasserdampfdruck
gleich sind. Dann würde der
Wasserfilm weder zunehmen noch verdampfen. Bei einer Abgas-Wasserdampf-Konzentration
von 12,5 % und dem gegenüber
dem Luftdruck erhöhten Abgasdruck
liegt die Taupunkttemperatur des Wasserfilms bei ungefähr 55 °C, wenn von
trockener angesaugter Umgebungsluft ausgegangen wird. Bei einer
hohen relativen Feuchte der von der Brennkraftmaschine 10 angesaugten
Umgebungsluft erhöht sich
die Temperatur um ungefähr
5 °C, da
sich auch die Abgas-Wasserdampf-Konzentration
auf über 12,5
% erhöht.
-
Diese
Temperatur stellt sich auch während der
Verdampfung des Wasserfilms ein. Die Temperatur, die hier als Plateau-Temperatur
te_P bezeichnet wird, ändert
sich während
der Verdampfung nur unwesentlich. Die Menge des verdampfenden Wasserfilms
bzw. des kondensierenden Wasserdampfs pro Zeiteinheit ist direkt
proportional zum Dampfdruck-Gradienten zwischen dem Wasserfilm und dem
Abgas-Wasserdampf.
-
Ausgehend
von der Start-Temperatur te_S, die im gezeigten Ausführungsbeispiel
unterhalb der Plateau-Temperatur te_P liegt, wird durch die Erhöhung beispielsweise
der Abgastemperatur te_abg während
des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 zum zweiten Zeitpunkt
ti2 das erste Temperatur-Plateau P1 des ersten Teilbereichs 16 des
Katalysators 15 erreicht, wobei die Plateau-Temperatur
te_P im gezeigten Ausführungsbeispiel
bei beispielsweise 55 °C
liegt. Aufgrund der räumlichen
Anordnung des zweiten Katalysator-Teilbereichs 17 stromabwärts nach
dem ersten Katalysator-Teilbereich 16 wird das zweite Temperatur-Plateau
P2 des zweiten Katalysator-Teilbereichs 17 nach dem zweiten
Zeitpunkt ti2 erst zum dritten Zeitpunkt ti3 erreicht. Die Plateau-Temperatur
te_P ist in beiden Katalysator-Teilbereichen 16, 17 gleich.
-
Ob
ein Temperatur-Plateau P1, P2 vorliegt, wird von der Temperatur-Plateau-Erfassung 33 detektiert.
Die Detektion beruht beispielsweise auf einer Betrachtung des Gradienten
der Katalysatortemperatur te_Kat. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
werden das erste und zweite Katalysatortemperatur-Messsignal te_Kat1_mess,
te_Kat2_mess getrennt bewertet.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Temperatur-Plateau-Erfassung 33 ein
gegebenenfalls vorliegendes Temperatur-Plateau P1, P2 nur dann detektiert,
wenn das Diagnose-Freigabesignal D_F vorliegt, welches von der Diagnose-Freigabe 32 bereitgestellt
wird.
-
Das
Diagnose-Freigabesignal D_F kann vom Startsignal St der Brennkraftmaschine 10 abhängen. Das
Temperatur-Plateau P1, P2 tritt mit hoher Wahrscheinlichkeit nach
einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 10 oder nach einem
Wiederstart der Brennkraftmaschine 10 auf. Längere Betriebspausen
der Brennkraftmaschine 10, die zu einem Abkühlen des
Katalysators 15 führen
können,
treten insbesondere auf, wenn die Brennkraftmaschine 10 in einem
Hybrid-Fahrzeug angeordnet ist, bei welchem während des Fahrbetriebs ein
Abschalten der Brennkraftmaschine 10 vorgesehen ist.
-
Weiterhin
kann das Diagnose-Freigabesignal D_F von der Motortemperatur te_mot
abhängen, die
mit dem Motortemperatur-Vergleichssignal S1 im ersten Vergleicher 34 verglichen
wird, welcher das erste Freigabesignal F1 in Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis
bereitstellt. Das Motortemperatur-Vergleichssignal S1 wird beispielsweise
von der Diagnose-Freigabe 32 bereitgestellt. Es kann sich um
einen Schwellenwert oder einen Toleranzbereich handeln.
-
Weiterhin
kann das Schubabschaltungssignal S_A berücksichtigt werden. Das Schubabschaltungssignal
S_A tritt auf, wenn während
des Betriebs der Brennkraftmaschine 10 die Kraftstoffzufuhr
vollständig
unterdrückt
wird. Während
des Auftretens des Schubabschaltungssignal S_A findet kein Energieeintrag
in den Abgasbereich 13 statt, sodass aufgrund des gleichzeitig
vorliegenden gegebenenfalls vorliegenden hohen Luftdurchsatzes im
Abgasbereich 13 der Katalysator 15 ausgekühlt wird
bzw. die Katalysatortemperatur te_Kat zumindest nicht steigt.
-
Weiterhin
kann der Abgasstrom ms_abg berücksichtigt
werden. Der Abgasstrom ms_abg, der als Abgas-Volumenstrom oder vorzugsweise
als Abgas-Massenstrom vorliegen kann, wird im zweiten Vergleicher 35 mit
dem Abgasstrom-Vergleichssignal S2 verglichen. Der zweite Vergleicher 35 stellt
das zweite Freigabesignal F2 in Abhängigkeit vom Ver gleichsergebnis
bereit. Das Abgasstrom-Vergleichssignal S2 wird beispielsweise von
der Diagnose-Freigabe 32 bereitgestellt. Es kann sich um
einen Schwellenwert oder einen Toleranzbereich handeln.
-
Weiterhin
kann die Abgastemperatur te_abg berücksichtigt werden. Herangezogen
werden kann das berechnete Maß te_abg_mod
der Abgastemperatur te_abg oder das vom Abgas-Temperatursensor 14 bereitgestellte
Abgastemperatur-Messsignal te_abg_mess. Der dritte Vergleicher 36 vergleicht
die Abgastemperatur te_abg mit dem Abgastemperatur-Vergleichssignal
S3 und stellt in Abhängigkeit vom
Vergleichsergebnis das dritte Freigabesignal F3 bereit. Das Abgastemperatur-Vergleichssignal
S3 wird beispielsweise von der Diagnose-Freigabe 32 bereitgestellt.
Es kann sich um einen Schwellenwert oder einen Toleranzbereich handeln.
-
Besonders
vorteilhaft wird weiterhin die Katalysatortemperatur te_Kat berücksichtigt.
Der vierte Vergleicher 37 vergleicht die Katalysatortemperatur te_Kat
im gezeigten Ausführungsbeispiel
mit dem Plateau-Temperatur-Erwartungswert te_P_E. Der Plateau-Temperatur-Erwartungswert
te_P_E wird von der Plateau-Erwartungswert-Festlegung 41 entweder
als Startwert oder als aus wenigstens einer vorangegangenen Diagnose
adaptierter Wert zur Verfügung
gestellt.
-
Die
Temperatur-Plateau-Erfassung 36 ermittelt im gezeigten
Ausführungsbeispiel
sowohl die Plateau-Temperatur te_P als auch die Plateau-Dauer ti_P.
Die Plateau-Dauer ti_P wird getrennt für den ersten Katalysator-Teilbereich 16 als
erste Plateau-Dauer ti_P1 und für
den zweiten Katalysator-Teilbereich 17 als zweite Plateau-Dauer
ti_P2 ermittelt und bereitgestellt.
-
Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
wird davon ausgegangen, dass die erste Plateau-Dauer ti_P1 zum zweiten
Zeitpunkt ti2, beispielsweise bei 20 Sekunden, beginnt und zum vierten
Zeitpunkt ti4, beispielsweise bei 40 Sekunden, endet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
wird weiterhin davon ausgegangen, dass die zweite Plateau-Dauer
ti_P2 zum dritten Zeitpunkt ti3, beispielsweise bei 25 Sekunden,
beginnt und zum fünften
Zeitpunkt ti5, beispielsweise bei 60 Sekunden, endet. Wesentlich
ist, dass die Plateau-Temperatur te_P der beiden Temperatur-Plateaus
P1, P2 wenigstens näherungsweise
gleich ist. Die Plateau-Temperatur te_P liegt gemäß dem Ausführungsbeispiel
in 2a bei beispielsweise 55 °C und in 2b bei
beispielsweise 90 °C.
-
Die
Plateau-Temperatur-Erfassung 33 stellt während der
Detektion eines Temperatur-Plateaus P1,
P2 der Diagnose-Freigabe 32 das Plateausignal P zur Verfügung, die
in Abhängigkeit
vom vorliegenden Plateausignal P das erste bis dritte Vergleichssignal
S1–S3
festlegen kann. Vorzugsweise wird mit dem Auftreten des Plateausignals
P, das den Beginn eines Temperatur-Plateaus P1, P2 zum zweiten bzw. dritten
Zeitpunkt ti2, ti3 signalisiert, wenigstens eines der ersten bis
dritten Vergleichssignale S1–S3
als Toleranzbereich vorgegeben, sodass die weitere Ermittlung des
Temperatur-Plateaus P1, P2, insbesondere die Ermittlung der Plateau-Dauer
ti_P nur weitergeführt
wird, wenn die Eingangsgrößen im Toleranzbereich
liegen. Ansonsten wird abgebrochen, da insbesondere ein Energieeintrag
in den Katalysator 15 in die Plateau-Dauer ti_P eingeht.
Der Einfluss auf die Plateau-Temperatur te_P wurde experimentell
als gering festgestellt.
-
Experimentell
wurde weiterhin festgestellt, dass sich die hygroskopischen Eigenschaften
des Katalysators 15 zumindest in unterschiedlichen Plateau-Temperaturen
te_P bzw. unterschiedlichen Plateau-Dauern ti_P widerspiegeln. Hierbei
wurde festgestellt, dass eine höhere
Plateau-Temperatur t_P einem besseren Katalysator 15 und
eine niedrigere Plateau-Temperatur te_P entsprechend einem schlechteren
Katalysator zu 15 zugeordnet werden kann.
-
Der
in 2a gezeigte zeitliche Verlauf der Katalysatortemperatur
te_Kat in Abhängigkeit
von der Zeit t entspricht demgemäß einem
vergleichsweise schlechteren Katalysator 15, während der
in 2b gezeigte zeitliche Verlauf der Katalysatortemperatur
te_Kat in Abhängigkeit
von der Zeit t einem besseren Katalysator 15 entspricht.
Entsprechend entspricht eine längere
Plateau-Dauer ti_P einem besseren Katalysator 15 als eine
kürzere
Plateau-Dauer ti_P.
-
Die
Auswirkungen der Wechselwirkungen zwischen dem Wasserfilm und der
inneren Oberfläche
des Katalysators 15 scheinen wenigstens näherungsweise
proportional zur aktiven Oberfläche
im Katalysator 15 zu sein. Je größer die aktive Oberfläche des
Katalysators 15 noch ist, desto besser ist die katalytische
Wirkung. Es wird davon ausgegangen, dass bei einer hohen Plateau-Temperatur
te_P bzw. bei einer langen Plateau-Dauer ti_P eine größere aktive
Oberfläche
zur Verfügung
steht und deshalb das Konvertierungsvermögen des Katalysators 15 besser ist
als bei niedrigen Plateau-Temperaturen te_P bzw. kurzen Plateau-Dauern
ti_P.
-
Die
Plateau-Temperatur te_P wird im Plateau-Temperatur-Vergleicher 38 mit
dem Plateau-Temperatur-Referenzwert te_P_Ref verglichen, welchen
die Plateau-Temperatur-Referenzvorgabe 40 bereitstellt.
Anhand eines oder vorzugsweise mehreren Vergleichen der Plateau-Temperatur
te_P mit vorzugsweise mehreren Plateau-Temperatur-Referenzwerten te_P_Ref
erfolgt eine Einstufung des Katalysators 15 mit dem Plateau-Temperatur-Diagnosesignal
te_P_D. Die Plateau-Temperatur-Referenzwerte te_P_Ref werden beispielsweise
für jeden Katalysatortyp
separat festgelegt.
-
Entsprechend
wird die Plateau-Dauer ti_P im Plateau-Dauer-Vergleicher 39 mit
dem Plateau-Dauer-Referenzwert ti_P_D verglichen, welchen die Plateau-Dauer-Referenzvorgabe 43 bereitstellt.
Anhand eines oder vorzugsweise mehreren Vergleichen der Plateau-Dauer
ti_P mit vorzugsweise mehreren Plateau-Dauer-Referenzwerten te_P_Ref
erfolgt eine Einstufung des Katalysators mit dem Plateau-Dauer-Diagnosesignal
ti_P_D. Auch die Plateau-Dauer-Referenzwerte te_P_Ref werden beispielsweise für jeden
Katalysatortyp separat festgelegt.
-
Aus
dem Plateau-Temperatur-Diagnosesignal te_P_D und/oder dem Plateau-Dauer-Diagnosesignal ti_P_D
ermittelt die Diagnose-Ermittlung 42 endgültig das
Diagnosesignal D_E, das eine Aussage über das Konvertierungsvermögen des
Katalysators 15 zulässt.
Durch Vergleich mit dem Konvertierungsvermögen eines Grenzkatalysators
kann das Diagnosesignal D_E als Hinweis zu einem erforderlichen
Austausch des Katalysators 15 herangezogen werden.
-
Das
Plateau-Temperatur-Diagnosesignal te_P_D wird weiterhin der Plateau-Erwartungswert-Festlegung 41 zur
Verfügung
gestellt, damit der Plateau-Temperatur-Erwartungswert te_P_E an den aktuellen
Zustand des Katalysators 15 adaptiert werden kann.
-
Die
Aufteilung des Katalysators 15 in wenigstens den ersten
und zweiten Katalysator-Teilbereich 16, 17,
der entsprechend getrennt bewertet werden kann, ermöglicht die
Bereitstellung einer zusätzlichen Informationen über das örtliche
Auftreten einer Änderung
der Konvertierungseigenschaften des Katalysators 15. Weiterhin
kann aufgrund eines Vergleichs der Diagnoseergebnisse der beiden
Katalysator-Teilbereiche 16, 17 die Plau sibilität hinsichtlich
der Bereitstellung der Katalysatortemperatur-Messsignale te_Kat1_mess,te_Kat2_mess
bzw. der weiteren Signalverarbeitung überprüft werden.